核能发电制氢联产的未来

随着新能源和先进技术的不断使用，能源供应、需求和分布都在不断演化。可实际上，世界上大多数能源基础设施都有很大“惯性”——这些惯性需要数年或数十年才能扭转——长期来看，这将影响未来几十年的能源经济。

核电厂也在不断发展，并通过技术进步正在实现更多功能。先进核电厂将作为电力系统的一部分，而这个系统与建设在运核电时曾经存在的那个，差异很大。另一项正在取得技术进步的是氢气的联产技术，而且，随着能源经济的变化，产氢在全球范围内声名鹊起，并获得政策支持。

随着市场迅速整合风能和太阳能在内的可再生能源，电力供需平衡的维持越来越困难。从能源需求看，每天的需求都在波动，早上短暂下降，人们傍晚下班回家时达到顶峰。一般来说，核电厂会满功率运行，但理论上能够以更高的灵活性运行。灵活性使核电厂能够动态响应季节性需求的变化以及日内市场价格的变化。

在实际工作中，核能多功能应用，包括制氢和高温供热，最近已经纳入国际原子能机构(IAEA)的计划。2018年，IAEA声称：“经合组织(OECD)核能署(NEA)、欧洲原子能机构(Euratom)和第四代核能系统国际论坛(GIF)都对核能非电应用所关注的下一代先进和创新性核反应堆表示了兴趣”。在IAEA工作的 Ibrahim Khamis说，推动核能联产的动力，包括但不限于：改善经济性、满足能源密集型非电产品的需求、确保工业综合体的能源供应、适应电力需求的季节性波动以及将中小型电网与可接入的大型电网相匹配等。

核能在发电制氢联产中的优势

每年全世界大约消耗5000万吨氢气。核电厂和制氢系统相容的很好，相比传统的制氢能源使，核能更具经济优势。核电厂可以提供制氢所需的热量和电力，而且不产生任何碳排放。生产的氢气将作为储存能源，将电力的生产与消耗脱钩。储存的氢气可以作为发电机的燃料，也可以用于其他工业用途。

2017年的一项研究中，制氢就已经被视为一种能源储存技术(Coleman、Bragg-Sitton和Dufek，2017年)。麻省理工学院能源倡议(MITEI)的研究员Jesse Jenkins和阿贡国家实验室的同事们曾考虑将可再生资源与灵活的核电厂进行匹配。在Applied Energy的一篇论文中，Jenkins 提出：“以较低功率运营核电厂，尽可能多地利用风能和太阳能，更有意义”。在这个模式下，核能系统灵活运营，通过整合可再生能源减少了二氧化碳排放。灵活模式下，通过减少乏燃料量、提高系统质量和降低客户用能成本来提高反应堆所有者的收益。

根据发表在《可持续发展》杂志上的一篇论文(Noussan、Raimondi、Scita和Hafner，2021年)，与燃烧化石燃料的碳排放相比，开发氢气储存系统可以减少发电产生的排放。他们认为，通过在交通运输行业采用集成的氢燃料电池，并利用能源储存来降低发电峰值，可以减少二氧化碳排放，因为除了能量，燃烧氢只会产生水。

然而，全生命周期内氢燃料电池的碳排放取决于基本能源和制氢工艺。在制氢时使用水也可能会对环境产生重大影响。但是，当氢气与燃料电池中的氧气反应从而发电时，会产生水并且可以送回原始水源。

有毒金属(如钯)会用在制氢所需的电极和催化剂里。因此，必须对报废燃料电池的处置进行彻底的监督，从而降低对环境的不利影响。近年来，钯的回收和再处理一直是研究重点，目的就是要减少它对环境的负面影响。

如果核能成为产氢的主要能源，它需要产生最小的排放，并对环境的影响最小。

核能在发电制氢联产中的挑战

核能联产面临着重大挑战，其中包括核能市场和热能市场之间的差异。为了更好的适合产氢，核电厂的设计需要进行改变，从而引发具体的问题和关注，包括在厂址、规划时间、建设和财务风险等方面，此外，还有工业电厂的示范，专用于产氢的反应堆许可。

核能发电是可行的，在经济上也是可以接受的;然而，任何反应堆都要接受反应堆物理学引发的一系列运行的限制，这些限制不同于传统煤炭或天然气发电厂中的技术限制。例如，在燃料循环中，如果核反应堆的最低稳定性能发生改变，此时若不加载核燃料棒，生产能力不能快速的提高或降低。

在高功率下，有多余的能源可用，在很大程度上，降低产能被认为对电厂不利。如果电厂灵活运行以适应需求侧的管理，可用的剩余能源就将受到影响。

结论

相比其他能源，核能产氢潜在好处显著，可能导致氢在未来全球能源经济中的份额越来越大。然而，核能产氢的工艺在技术上还是不确定的，仍然需要努力进行全面研究和强有力的发展。安全问题和氢气的储存和输送是促进氢能产业繁荣的关键。

在评估绿色氢气的成本时，例如对于使用低碳电力电解水制氢(可能的替代方案是，使用甲烷，通过蒸汽转化和碳捕获，制造所谓的“蓝色”氢气)，分析中必须考虑电解器的成本和效率、堆槽的更换、氢气的压缩和储存、氢气运输的成本、以及氢气配送的效率。

对于脱碳世界中氢的未来，最终问题之一是，对于用于运输、化肥、工业和其他用途的氢气，相比替代手段，利用电解器产氢的成本。

通过对氢在全寿期成本的准确计算，会使人们能够识别和评价不同的商业模式，比如在飞机、垃圾车、公共汽车和其他电动汽车无法完成的运输中使用氢燃料；比较电解器制氢成本与蒸汽甲烷制氢成本；评估分布式制氢与集中制氢的成本和效益;测算在电力成本低时制氢的策略的有效性。